IPM在电力机车大功率开关电源中的应用研究
2 IPM保护功能
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统的开发周期，也提高了系统在故障情况下的自我保护能力。与普通的IGBT模块相比，由于增加了保护电路，因而IPM在系统性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保护功能包括控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中的一种保护电路产生动作，其内部的IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(Fo)。
(1)控制电压欠压保护(UV)：IPM使用单一的15 V供电，若供电电压低于12．5 V，且时间超过toff=10 ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。如图3所示。
(2)过热保护(0T)：在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。
(3)过流保护(0C)：若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。为避免发生过大的电流变化率di／dt，大多数的IPM采用两级关断模式。如图4所示。
(4)短路保护(SC)：若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的电流变化率di／dt，大多数IPM采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作问的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)，使响应时间小于100 ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。
当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一种故障时，IPM将立即输出故障信号Fo，该故障信号持续时间tFo为1．8 ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM。当故障输出信号持续时间结束后，IPM内部会自动复位，门极驱动通道重新开放。
IPM器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果在tFo结束后故障源仍然没有被排除，则IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，设计时应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。为了使系统真正安全、可靠地运行，通常需要设计辅助的外围保护电路。同时，IPM对欠压、过流、短路和过热等故障发生时，均输出同一个故障信号Fo因而主控系统无法判断故障产生的具体原因，还需要更进一步的故障诊断技术。
3 IPM在电力机车模块化分布式大功率开关直流稳压电源中的应用
电力机车中的110 V稳压电源是为机车上的各种控制器件以及仪表照明和信号显示屏等相关设备提供动力，因而对整个电力机车来讲至关重要。电力机车110 V稳压电源的输出功率大，对稳定性和可靠性要求非常高。为了满足系统要求，采用了分布式结构，利用多个逆变模块，通过负荷分担的方式来组成大功率系统。同时，采用IPM智能功率模块作为逆变器主元件，利用DSP控制单元来产生逆变器的控制信号，从而提高了系统的可靠性和可控制性。
IPM在应用时首先应注意型号的选择，不同型号的IPM其耐压损坏值不同，为了避免电压过高(比如浪涌电压)造成的IPM损坏，在选择时必须合理地预留一部分裕量。IPM在工作状态时，流经的电流通常都比较大，因而散热比较重要，为了避免温度升高损坏IPM，使用时要选用较好的散热器，并且IPM与散热器之问应涂抹一层均匀的硅脂。为了避免IPM驱动电路中地线噪声的影响，设计时应注意将驱动电压相互隔离。为了防止IPM上下臂开关同时打开，设计时应注意采用死区控制方式。
评论